隧道中高速列车活塞风及空气阻力的计算

针对高速列车在隧道中不同位置处行驶时，本文分三种情形建立了非恒定流活塞风计算公式，并建立了适用于非恒定流的类似于原朝茂公式的空气阻力计算方法。在此基础上，对所宫的京沪高速铁路隧道断面的两种备选方案进行了分析讨论，从尽可能降低空气阻力的角度提出了隧道断面的建议方案。     

无竖井单线隧道活塞风影响因素分析

采用非恒定流活塞风计算理论,按列车行驶在单线无竖井隧道中的不同位置,分四种情况(列车部分进入隧道,列车全部进入隧道,列车部分驶出隧道,列车全部驶出隧道后活塞风的衰减过程)建立了简化的活塞风分析数学模型.在此基础上,通过MATLAB软件进行数值求解,得到列车经过某区间隧道时的活塞风速度变化情况.分析了列车运行速度、列车长度、列车对隧道的阻塞比以及区间隧道长度对活塞风的影响.本方法可以作为列车以不同速度行驶在各种单线、无竖井隧道内活塞风速度的试用计算工具.     

地铁隧道内列车活塞风的计算方法

以流体连续性方程及伯努利方程为理论依据,针对地铁特点,推导得出隧道内列车活塞风的计算方法,并对影响活塞效应的因素做定性分析．     

列车通过隧道时流场的二维数值模拟分析

利用计算流体动力学软件 Star-CD,建立了列车通过隧道时的二维动网格模型,模拟在不同车速下,隧道内活塞风和压力场的动态变化规律,并比较不同外形和运行速度时列车所受到的空气阻力.模拟结果表明:列车通过隧道时的运行速度越大,产生的活塞风风速越大,相对压力越大,列车所受的空气阻力越大;列车通过隧道内某一测量点时,活塞风风速会发生突降,活塞风最大风速在列车尾流中形成;车头到达隧道入口时,最大压力突增,并很快达到最大值,随后逐渐减小;车尾到达隧道入口时,车尾最小压力突降;车身在隧道内时,车尾的最小压力波动较小;流线形列车所受的空气阻力约为钝形列车的0.5~0.7倍.     

铁路隧道列车活塞风的理论研究与计算方法的探讨

随着我国铁路建设的快速发展,隧道列车活塞风的确定具有重要意义.本文从运动列车与隧道气流的功能转换出发,以列车作用段作为活塞风压源,利用流体力学的基本原理、基本方程和湍流半经验理论,分析、探讨了活塞风压力产生的机理,构成类别和列车、隧道长度及表面粗糙特性、阻塞比、行车速度等作用条件对活塞风的影响,提出活塞风压力和活塞风速度的计算方法.以实车的隧道空气动力学试验资料为参照进行对比计算,计算活塞风速度与实测结果较好符合.通过不同隧道长度、不同阻塞比和不同行车速度的系列组合计算,进行无量纲工况的综合分析,得出活塞风变化的一般特性.活塞风的计算方法和特性为活塞风的充分利用提供了重要依据.     

高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

为研究高速列车过隧道时对接触网系统安全性的影响,采用数值模拟的方法,利用滑移网格技术,对不同编组的高速列车以350 km/h的速度分别通过单线隧道和双线隧道的过程进行仿真,通过监测吊柱位置处的气流速度和气体压力,得到隧道内活塞风特性;基于气动特性仿真结果,对接触线风振响应进行模拟仿真,得到隧道内接触线位移偏量范围。结果表明,列车编组越多,隧道断面越小,列车车速越大,形成的列车风速度越大,气动特性越显著;列车进入隧道入口瞬间,接触线有最大正向位移偏量为2.92 mm。     

沉管隧道高速列车空气阻力水力学模型试验研究

为了分析拟建的京沪高速铁路越江沉管隧道中高速列车通过时遇到的空气阻力问题,采用水流模型模拟气流原型,根据模型试验获得的列车空气阻力及相关数据,结合国内外的有关理论和试验成果,形成隧道中高速列车的空气阻力计算方法,并最终提出沉管隧道列车空气阻力参数。     

双竖井铁路隧道活塞风非定常流动理论计算研究

针对既有竖井影响下活塞风理论计算研究的不足,基于连续性方程和伯努利方程建立双竖井铁路隧道活塞风非定常流动理论计算模型;将列车在双竖井铁路隧道中行驶的全过程分为4个阶段,分别推导各阶段隧道内活塞风非定常流动的理论计算式;通过模型试验和数值模拟2种方法,验证理论计算式的可靠性并进行修正。结果表明：随着列车与竖井相对位置的变化,隧道内与竖井内的风流关系呈动态变化,若按固定值计算会引起较大误差,而采用数值模拟方法可实现风流动态关系式的反推,达到修正理论计算式的目的;修正后的理论计算式精度较高,总体误差低于10%,适用列车速度范围为0～360 km·h-1;该理论计算式不仅可计算结构类似的铁路或地铁隧道活塞风速,还可推广应用于单竖井或多竖井（3个及以上）隧道。     

高速列车通过隧道时气动阻力特性的CFD仿真分析

基于可压缩流体的纳维—斯托克斯方程和RNG k-ε模型,以由头车、中间车和尾车3辆车编组的某高速列车1∶8风洞试验模型为研究对象,采用计算流体动力学软件(CFD),建立包括车体和走行部的三维非结构化列车表面离散网格模型和列车与隧道、列车与明线空间的组合计算网格模型,研究高速列车通过隧道时气动阻力的时变特性和规律.结果表明:高速列车在车尾刚进入隧道人口时其气动阻力达到最大值,为同样工况下明线运行时的2.5倍;高速列车完全进入隧道后,其气动阻力在一段时间内处于相对平稳期,为明线运行时的1.8倍;之后在隧道压力波的作用下,高速列车的气动阻力会发生准周期变化,变化幅度接近明线运行时的60％;在隧道长度大于高速列车长度的前提下,高速列车通过不同长度隧道时,其进入隧道时的气动阻力最大值均比较接近,而且在隧道内运行时的气动阻力变化特征和幅值也基本相同.     

高速列车通过隧道时产生的瞬变压力

本文扼要地叙述了国际铁路联盟（ＵＩＣ）试验研究所对于高速列车通过隧道时生产的空力学问题所进行的理论和试验研究的情况与结果。     

地铁隧道活塞风的简化计算

地铁列车在隧道内运行时,会产生活塞风,这种空气流动主要沿隧道轴线方向,可视为一维不可压缩流动.通过对地铁单线无竖井隧道的空气动力学特性进行一维理论分析,初步得到了活塞风量和风压的简化计算方法.研究表明,隧道内活塞风速与列车速度成正比,活塞风压与列车速度的平方成正比,可将列车等效为风机,采用“等效风机”特性曲线方程和隧道阻力特性方程共同来确定活塞风量,并且可以将该方法应用到有竖井的单线隧道中.该简化计算方法的提出,为隧道内活塞效应的研究建立了理论基础.     

高速列车通过隧道时隧道内压力变化的试验研究

通过以空气为流体的高速列车模型试验,研究高速列车通过隧道时产生的压力变化.试验结果表明了隧道内产生的压力变化与列车速度、阻塞比之间的关系.     

隧道活塞风模型试验研究

随着长及特长单线铁路隧道的大量修建,利用活塞风改善隧道内空气质量,降低隧道通风能耗已成为可能。国内外对于隧道压力波和隧道内列车空气阻力问题进行了较多研究,但对隧道活塞风全面系统性的研究较少。为此,根据相似原理,考虑模型的变态,采用全模型试验方法设计搭建隧道活塞风模型试验台,用于活塞风风速的测试。将试验值与理论计算值、原型转换试验值与理论计算值进行比较,结果表明活塞风速度的符合度较好。由此,取线性比尺为60,以水为工作介质的模型试验用于隧道活塞风研究是可行的。     

高速列车风对附近人体的气动作用影响

采用计算流体力学的数值方法和移动网格模拟计算方法,研究3种车头形状、从200 km.h-1到350 km.h-1的4种车速、从1.0 m到3.5 m的5种人车距离条件下列车风对人体气动作用力和人体附近列车风速度大小的影响,提出列车风对人体最大水平作用力计算关系式和人体附近最大列车风速计算关系式、以及高速列车附近人体安全距离的建议值。计算结果表明:列车风对附近人体产生的作用力因车头(尾)形状不同而差别很大,车头形状越钝,列车风对附近人体产生的作用力越大,完全钝型与充分流线型车头相比,在车速350km.h-1、人车距离1 m时列车风产生的作用力可相差7倍以上;不同车头形状产生的列车风对附近人体的作用力,其差别随人车距离的增大而减小,大致呈二次方函数规律变化;不同条件下车头(尾)通过时列车风对附近人体的水平作用力方向的变化趋势基本相同,作用力方向角变化约300°。     

高速列车在隧道内和明线上交会时气动性能对比分析

建立了高速列车在隧道内和明线上交会的数值计算模型。利用有限体积法求解三维、可压、非定常N-S方程和k-ε两方程湍流模型,通过滑移网格技术实现列车的相对运动。分析了列车在隧道内和明线上以350 km/h等速交会过程中车体表面压力、气动荷载的变化规律。研究发现:列车在隧道内交会时,其车体表面压力比在明线上交会时约增加6 kPa,且车体表面压力的波动幅值是明线上交会时的2倍;交错车体表面的负压值比未交错表面的负压值大1.5kPa;气动力(矩)比在明线上交会时略小;头车、尾车气动阻力的变化规律与单车过隧道时相似,但阻力的变化峰值约是单车过隧道时的2.5倍。     

高速列车头车纵向布置多组制动风翼板气动性能影响分析

在高速列车速度大于300 km/h紧急制动时,风阻制动是一种行之有效的辅助制动措施。文中基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε双方程模型,采用计算流体动力学方法对高速列车头车车顶纵向布置多组制动风翼板时列车气动性能做初步分析,分别从列车所受气动阻力、垂向力、横向力、流场气动干扰效应等方面做了详细计算说明。初步研究表明：在列车头车车顶纵向长度范围内以最大等间距的方式进行多组制动风翼板设计及安放布置时,前后制动风翼板间气动干扰效应随着风翼板布置组数的增多而逐渐加强,各制动风翼板迎风面所受气动压力呈现沿列车前进方向除首排制动风翼板外后续各组压力峰值基本保持一致,整体略有波动,而首排制动风翼板所受气动载荷远大于后续各组;当以最大间距布置风翼板组数大于2组布置时,随着组数的增多所产生的空气制动力缓慢增加,阻力系数大于0.29,所产生的垂向升力基本维持稳定,升力系数约为2.1×10-3。     

高速列车隧道内等速会车时气动作用力的数值模拟

基于三维非稳态黏性Navier-Storkes方程及k-ε两方程紊流模型,利用包含移动网格技术的计算流体动力学方法,对高速列车在长隧道内等速交会过程进行动态数值模拟,模拟2列相同外型的列车以4种车速交会时的流场,分析会车过程中交会列车所受气动侧向力、侧翻力矩及偏转力矩的变化情况,初步得到隧道内会车时气动作用力的变化规律。计算结果表明:隧道内列车交会过程使列车受到较大的侧向力、侧翻力矩和偏转力矩;每节车厢侧向力和侧翻力矩方向经历2次变化;偏转力矩方向经历4次变化。气动力与力矩的大小是车速的二次方函数。气动力及气动力矩的变化率与车速的三次方成正比。     

列车风作用下人体气动力的计算分析

根据列车风场的特点，提出一种计算列车风作用于人体气动力的方法，这种计算方法将人体受到的气动力分成压力梯度力和绕流阻力两个部分。结合我国高速列车和人体尺寸情况，计算了车头部列车风作用于人体的气动力，讨论了人体气动力变化的一些特性。